INTRODUCCIÓN
Un vehículo híbrido es aquel que cuenta con dos tipos de motores: uno de combustión interna
y otro eléctrico. De esta forma, el coche emplea o alterna las dos fuentes de energía,
moviéndose de forma más sostenible y económica, pero sin perder las prestaciones que
proporciona un vehículo tradicional.
Esta tecnología fue patentada por Toyota en el 1974, y alrededor de 20 años después, dicha
patente se hizo realidad en el Toyota Prius, que es el vehículo que supuso una verdadera
revolución en la industria automovilística, convirtiéndose en el primer Toyota híbrido eléctrico.
Atendiendo a los distintos tipos de vehículos híbridos que se pueden encontrar en el mercado,
una clasificación posible sería la siguiente:
-
Hibrido eléctrico. Dentro de los vehículos híbridos eléctricos no enchufables se pueden
encontrar los híbridos en paralelo, los híbridos en serie y los híbridos serie-paralelo:
• Híbrido en paralelo. En estos vehículos, el motor eléctrico y el de combustión
interna están conectados al eje que mueve las ruedas del coche, siendo el motor
térmico el que principalmente desarrolla esta tarea ayudado por el motor eléctrico.
La batería de estos híbridos se alimenta fundamentalmente de la recuperación de
la energía de frenada.
• Híbrido en serie. Los coches híbridos en serie se mueven únicamente con la
potencia que el motor eléctrico es capaz de suministrar, proviniendo la energía de
la batería o de la energía que produce el motor de combustión interna al actuar a
modo de generador. En este caso el motor, de gasolina o diésel, no está conectado
a las ruedas.
• Híbrido en serie-paralelo. Estos vehículos combinan los sistemas explicados
anteriormente, efectuándose la carga de la batería mediante el motor térmico y la
frenada regenerativa. Tanto el motor térmico como el eléctrico se conectan de
forma separada a la transmisión y el coche es movido por un motor, por el otro o
por ambos.
-
Hibrido eléctrico enchufable. Son vehículos que se incluyen dentro de los híbridos serieparalelo los cuales tienen una batería de mayor capacidad que se puede recargar al
enchufar el coche a una fuente externa de energía eléctrica. La ventaja de este tipo de
vehículos es la posibilidad que ofrece la batería de cargarse sin emplear el motor térmico.
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CUESTIONES
Elije 3 vehículos híbridos del mercado y clasifícalos describiendo sus sistemas lo más
exhaustivamente posible. (Que pertenezcan a diferentes tipologías)
HONDA CR-Z
El Honda CR-Z es un vehículo que tiene dos motores, uno de gasolina y otro eléctrico, por lo que
se trata de un vehículo híbrido. El motor eléctrico con el que cuenta no puede mover por sí solo
el vehículo por lo que se trata de un coche híbrido en paralelo.
El motor de este coche es un gasolina de 1.5 de cuatro cilindros con distribución variable i-VTEC
que Honda no emplea en ningún vehículo de los que vende en España.
FORD MONDEO HYBRID
Este coche dispone de un sistema que cambia automáticamente entre el motor de gasolina 2.0
140 CV y el motor eléctrico de 120 CV, dotando al vehículo de un motor híbrido de 187 CV. Al
tratarse de un coche que puede utilizar un motor, otro o los ambos para ofrecer potencia, se
clasifica dentro de los híbridos serie-paralelo.
OPEL AMPERA
El Opel Ampera posee un embrague que conecta la transmisión con el motor térmico, pero dicho
motor solo colabora de forma parcial cuando el vehículo alcanza una velocidad de 110 km/h.
Por lo tanto se trata de un vehículo hibrido en serie, el cual dispone de tres motores, dos
eléctricos y uno de gasolina. El motor que mueve las ruedas es un motor eléctrico de 150 CV de
potencia, y se alimenta de la energía que se almacena en las baterías. El segundo motor eléctrico
que posee, de 75 CV, actúa de alternador y genera energía eléctrica porque está conectado por
un embrague al motor de combustión interna. El tercer motor, un gasolina de 86 CV, hace girar
el motor-alternador para que se genere electricidad cuando las baterías están casi descargadas.
Justifica cuándo un VH consume menos combustible o genera menos emisiones.
Los vehículos híbridos hacen uso del motor de combustión cuanto mayor son las velocidades,
trabajando este de manera solitaria para velocidades mayores de 130 km/h, quedando fuera de
lugar el motor eléctrico cuando se supera dicha velocidad. Es por ello que, en el arranque y bajas
velocidades como puede ocurrir en conducción urbana, es cuando menos emisiones producen
los VH por el uso exclusivo del motor eléctrico. Sin embargo, cuando estas velocidades son
superiores y nos encontramos en una velocidad “de crucero”, el VH hace uso del motor de
combustión aumentando de esta manera las emisiones.
Figura 1. Funcionamiento de los motores de un vehículo híbrido
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Explica el modo de funcionamiento (basado en las relaciones entre MG1, MG2 e ICE dedl
planetario) de un Toyota Prius circulando a: 120 km/h, 50 km/h, 90 km/h bajando una
pendiente del 10%. ¿Hay algún modo crítico o extraño?
El funcionamiento del Hybrid System deliver se basa en desviar la energía eléctrica entre los
generadores MG1 y MG2 y la batería para equilibrar la carga del motor de gasolina. Una gran
ventaja de esta configuración es que, dado a la ayuda en el suministro de potencia por parte de
los motores eléctricos, el motor de combustión puede ser dimensionado en base a la carga
media en vez de a la carga máxima. Esta ventaja deriva en un ahorro de combustible pues cuanto
más pequeño es un motor mayor es la eficiencia en consumo. Los principales componentes que
participan en el funcionamiento del sistema híbrido del toyota prius son los siguientes:
1) Motor de combustión interna. ICE (Internal Combustion Engine).
2) Motor/Generador 1 (MG1). Ocupa una posición intermedia entre el ICE y el MG2. Su función
principal es la generación de energía eléctrica para almacenarla en la batería, aunque
también puede funcionar como motor.
3) Motor/Generador 2 (MG2). Es de mayor tamaño que el MG1, también es llamado motor de
tracción dado que su función principal es mover las ruedas. De hecho, es el único de los tres
que lo hace directamente. Este motor es también el responsable, funcionando como
generador, de la regeneración de energía en la frenada.
Figura 2. Relación entre ICE, MG1 y MG2
A continuación, se presentará en detalle las distintas relaciones entre estos tres componentes
para diversas situaciones en la conducción, de forma que se tengan unas bases teóricas con las
que contestar a la cuestión.
1. Encendido. En los motores híbridos el concepto de encendido difiere a lo que
tradicionalmente se asocia en los motores estrictamente térmico, pues en estos
vehículos el arranque se entiende por la activación del sistema que permite al vehículo
estar preparado para iniciar la marcha, sin ser necesario que el motor térmico esté en
funcionamiento. Si el motor se encuentra en frío sin tener una temperatura mínima, el
sistema provocara que el catalizador de emisiones pueda adquirir la temperatura que
le hace funcionar adecuadamente. Este efecto se consigue gracias a la activación del
motor MG1, tomando energía de la batería. La corona exterior del sistema planetario
está bloqueada ya que las ruedas aún están en reposo, por lo que los satélites se verán
obligado a adquirir movimiento alrededor del MG1. En el supuesto de que
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el ICE estuviera caliente porque hubiese sido utilizado recientemente, al pulsar el botón
de encendido, el sistema no arrancará el ICE y todos los elementos permanecerán en
reposo a la espera de solicitación de movimiento.
2. Inicio de la marcha. Tras el encendido, se dan dos posibles situaciones de inicio en
función de si el ICE está apagado o encendido. La primera se corresponde con un modo
para situaciones de cambios de aceleración más suave partiendo del reposo y además
en las que la batería no requiera carga. En esta situación el vehículo usa el motor MG2
para el inicio. La electricidad es enviada al MG2 desde la batería de alta tensión,
causando el giro de la corona exterior provocando el movimiento de las ruedas. El otro
caso de inicio de la marcha con el ICE arrancado es para situaciones donde se requiere
una aceleración brusca. El ICE no es capaz de dar por sí mismo el par necesario para
iniciar el movimiento del vehículo. Sin embargo, al contrario que los motores térmicos,
los motores eléctricos sí que muestran su par más alto a bajas velocidades, por tanto el
inicio de la marcha se hace fundamentalmente mediante el MG2.
3. Crucero. En el punto de funcionamiento de la velocidad deseada, en condiciones donde
no hay pendiente y la velocidad no es excesiva, la potencia requerida es mucho menor
a la necesaria para alcanzar ese punto. En esta situación, el sistema ajustará las
revoluciones del ICE bajándolas a su zona de máximo rendimiento con el consiguiente
beneficio de disminuir su ruido. Esta reducción de la velocidad del vehículo se consigue
reduciendo la velocidad del ICE y para ello el MG1 comienza a girar en sentido contrario.
En este modo el MG1 funciona como motor ofreciendo un par reactivo y puesto que
funciona como motor, es el propio motor MG2 el que alimenta al MG1.
4. Freno motor (Coasting). Al dejar de presionar el acelerador el vehículo pierde velocidad.
Esto se debe a por un lado la resistencia aerodinámica y de rodadura y, por otro lado, a
que el MG2 ofrece una fuerza reductora adicional con la que funciona en régimen de
generador, cargando la batería. Por tanto, es el par resistente de este motor eléctrico el
que produce el equivalente al freno-motor en un vehículo convencional. La corona gira
cada vez más lentamente, el anillo portasatélites está inmóvil porque el ICE está
apagado y el MG1 gira al revés libremente. Este modo de conducción a altas velocidades
llevaría al MG1 a girar por encima de su límite máximo; para ello, a partir de los 70 km/h
se configura al MG1 como generador y su par resistente pone en marcha al ICE, de un
modo parecido a lo explicado en el encendido en frío.
5. Vehículo parado cargando la batería. En estado de reposo y con la batería con un nivel
de carga por debajo de un límite, el ICE arrancara al igual que en el encendido en frio y
el MG1 comenzara a funcionar como generador cargando la batería.
6. Marcha atrás. Este modo de funcionamiento se consigue únicamente con el MG2,
siendo imposible que el ICE apoye a crear el impulso. El MG1 gira libremente hacia
delante, es la misma situación que en el modo eléctrico, pero al revés. El ordenador del
sistema impedirá que la velocidad del MG1 sobrepase su límite. En el caso de querer
realizar la marcha atrás con el ICE arrancado el MG1 deberá proporcionar una velocidad
mayor a que si el ICE estuviera parado.
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7. Frenado. Al pisar el pedal del freno en el vehículo se envía una señal para que se extraiga
más energía eléctrica del MG2 de la que ya se estaba extrayendo por el funcionamiento
de freno-motor. Este sistema es conocido como "frenos regenerativos". En la situación
donde MG2 este extrayendo la máxima corriente posible se compensa el resto de la
frenada mediante un circuito hidráulico convencional.
Tabla 1. Relación en el sistema planetario según modo de conducción
Modo en la conducción
Representación gráfica
Encendido
Inicio marcha con ICE
apagado
Inicio marcha con ICE
arrancado
Crucero
Freno-motor
Marcha atrás
Marcha atrás con ICE
arancado
En la cuestión se plantean tres escenarios de funcionamiento del Toyota Prius.
▪
El funcionamiento a 120 km/h se corresponde con un modo cercano a las velocidades
máximas recomendadas por el fabricante, pues el manual establece como velocidades
máximas recomendadas alrededor de 140 km/h. Para establecer la potencia requerida
en esta situación el vehículo se apoya tanto del motor térmico como del motor eléctrico,
por lo que el MG1 esta actuando como generador extrayendo energía de la batería.
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Sistemas híbridos y nuevas tecnologías
▪
▪
▪
El funcionamiento a 50 km/h considerando que el coche esta a esta velocidad constante
durante un tiempo prolongado se correspondería con el modo crucero anteriormente
descrito. En este escenario el ICE esta funcionando a unas revoluciones que le permite
dar el máximo rendimiento y para ello, el MG1 gira en sentido contrario para reducir la
velocidad del ICE hasta llegar a esta zona deseada. MG1 está ofreciendo un par
resistente funcionando como motor, siendo el motor MG2 el responsable de
alimentarlo.
El funcionamiento a 90 km/h bajando una pendiente del 10% corresponde con una
situación en la que se actuaría bajo lo modos anteriormente descritos de freno motor y
frenado. El motor MG2 ofrece una fuerza reductora, adicionalmente de las fuerzas
aerodinámicas y de rodadura, la cual se emplea en cargar la batería eléctrica. La corona
disminuye progresivamente su régimen de giro y al estar apagado el ICE el anillo porta
satélites está inmóvil pues el ICE está apagado estando también el motor el MG1 girado
al revés libremente. En las situaciones donde se pise el pedal del freno, se extraería más
energía del MG2 de forma que aumente el efecto de la frenada. En caso de no poderse
extraer más corriente de este motor se actuaría sobre el circuito hidráulico para apoyar
a la frenada del motor. Además, al estar con una velocidad superior a los 70 km/h se
configura al MG1 como generador y su par resistente pone en marcha al ICE, pues de no
realizar esta configuración el MG1 entraría en un régimen de giro por encima de su
límite máximo.
Los funcionamientos del vehículo más peculiares pueden considerarse tanto el freno
motor, la carga de la batería estando en reposo, el encendido y la puesta en marcha,
entre otros. Estos modos de funcionamiento se encuentran detallados al inicio de este
apartado.
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Busca y describe vehículos que tengan motores con:
•
Sistema de distribución variable
El sistema de distribución variable cambia el momento de apertura y cierre de las
válvulas en función del régimen de giro. Esto es importante porque a medida que
aumenta el régimen de giro del motor, el momento óptimo de apertura de válvulas
varía.
Existen diferentes sistemas de distribución variable de múltiples fabricantes, entre los
que se encuentran VANOS del fabricante BMW, VTEC de Honda o VVTI-i de Toyota.
Dichos sistemas son instalados en múltiples modelos de los fabricantes, como por
ejemplo el Honda Civic Type R o el Toyota Yaris 2019.
•
Sistema de desconexión de cilindro
El sistema de desconexión de cilindros es una tecnología que se usa para reducir el
consumo de carburante y, con ello, las emisiones. Cuando la apertura de la válvula de
admisión es pequeña y el flujo de aire de entrada a los cilindros es mínimo; al motor le
cuesta que llegue el aire necesario y se producen pérdidas por bombeo. Además, en la
cámara de combustión no se alcanza la presión adecuada reduciendo el rendimiento del
motor. Para resolver este problema, se desconectan algunos cilindros; de manera que
otros trabajen con más carga y, por tanto, más eficiente.
Este sistema lo incorporan vehículos como Mercedes-Benz, Porsche y Volkswagen. Estos
fabricantes cortan la inyección de carburante en los cilindros mediante unos actuadores
en la parte superior de árbol de levas que desplazan lateralmente las levas para que
estas permanezcan cerradas.
Otros fabricantes como Mazda realizan esta desconexión a través de un balancín que se
mueve con la leva, y tiene en uno de los extremos la válvula y en otro un amortiguador
hidráulico. En condiciones normales sólo se mueve la válvula ya que el amortiguador se
encuentra bloqueado. Sin embargo, cuando se activa el sistema de desconexión, el
amortiguador de desbloquea y el movimiento de empuje de la leva se transmite sólo al
amortiguador y no a la válvula, haciendo que permanezca cerrada.
Algunos ejemplos de vehículos con este sistema son el Porsche Panamera Turbo, Audi
Q3 o el Mazda CX-5.
•
Sistema de colector de admisión de longitud variable
El sistema de admisión variable incrementa la entrada de aire hacia el cilindro que se
emplea para la combustión. De esta forma se mejora el rendimiento del motor y
aumenta su régimen de trabajo. Se distinguen dos tipos de válvulas de admisión
variable: de longitud variable y por resonancia. La admisión de longitud variable es la
más empleada y cuenta con dos longitudes distintas por cilindro, regulando la entrada
de aire para cada régimen, por lo que en régimen alto se usa una longitud de colector
alta, y en régimen bajo, la longitud del colector es baja. En la Figura 3 se muestra el
sistema de admisión variable del motor gasolina 1.5 del Mazda2 del año 2007.
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Figura 3. Sistema de admisión variable del Mazda 2. Fuente: km77.com
•
Sistema de relación de compresión variable
El motor de compresión variable surge al necesitar aumentar la eficiencia una vez
llegado al límite de la relación de compresión. Lo que se busca es reducir el consumo de
combustible y para ello se intenta aumentar la eficiencia del motor para los diferentes
momentos de la combustión. Este sistema consigue que la eficiencia sea máxima en los
momentos donde no se exige mucha potencia a la moto dando que menor relación de
compresión, más potencia, y a mayor es dicha relación de compresión, menos consumo.
En el caso de Nissan su serie en los Altima un motor de compresión variable con turbo.
La parte mecánica que produce este cambio de medidas en la posición del pistón con
respecto a la cámara lo logra con un sistema en el cual las bielas van acopladas a un eje
intermedio que cambia de posición mediante un actuador que responde a la cantidad
de acelerador que se use. Este motor es capaz de ofrecer unos rangos de relación de
compresión desde 8 a 1 hasta 14 a 1.
Ejemplos de motores con este sistema son: el motor de compresión variable de Nissan,
el VCR de Ford, el motor Alvar de Volvo, el sistema Variable Height Pistón, así como el
motor de la compañía MCE5, en colaboración con Peugeot, con su motor variable MCE5 VCRi.
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OPINIÓN SOBRE LA PRÁCTICA
La práctica ha resultado interesante en cuanto al tema abordado pues los vehículos híbridos son
un tema de gran importancia en la actualidad al representar una solución más rentable y
eficiente que los vehículos eléctricos, al menos bajo la visión de Toyota, para el objetivo de
reducción de emisiones y la descarbonización. El contenido tratado resulta novedoso pues en
ninguna otra asignatura obligatoria del grado y del máster se ha hablado anteriormente sobres
los híbridos a pesar de su eminente importancia en la actualidad. Por otro lado, desde la
perspectiva de los estudiantes de un máster en ingeniería industrial quizás se esperaría un tipo
de práctica más en contacto con los motores en algún taller o laboratorio de la universidad. Las
facilidades que puede ofrecer una universidad para proporcionar estos recursos pueden
presentarse como una oportunidad única en aquellos estudiantes que aún no tienen claro el
sector al que dedicar su futuro profesional. Por tanto, resultaría interesante para próximos
cursos incrementar el porcentaje de la nota que corresponden a las prácticas, así como la
dedicación de un cierto número de horas en alguna instalación de la universidad.
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Sistemas híbridos y nuevas tecnologías
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